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精密恒温培养箱.jpg            

航空航天用铝.jpg中国空气动力研究与发展中心2.4m风洞工程                      中国兵器工业江南机器集团

中航工业吉林航空维修有限责任公司(原空军5704厂)       空军仿真技术项目

总参57所                                                                    中国空空导弹研究院

 

应用领域描述

       铝作为一种理想的轻质材料,潜在优势变得越来越明显。因此,近年来,铝在航空航天领域的使用也越来越多。

       质轻、经济 助铝材“飞天”

       据统计,进入空间轨道的航天运载器重量每减轻1kg,其发射费用将节省约2万美元,因此结构减重在航天领域可谓“克克计较”。战斗机重量若减轻15%,则可缩短飞机滑跑距离15%,增加航程20%,提高有效载荷30%。因此,世界各国十分重视研制和开发航空航天用轻质结构材料。铝因其自身的轻量化、高强度、加工方便和价格经济等特点,受到特别的关注。

       目前,在进行飞行器的设计时,设计师大多会选择具有高比强度和比刚度的结构材料,以减轻飞机的结构重量,改善飞行性能,增加经济效益。同时,该结构材料还应具有良好的可加工性,便于制成所需要的零件。目前,各种飞机都以铝合金作为主要结构材料。飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用铝合金制造。飞机依用途的不同,铝的用量也不一样。着重于经济效益的民用机型大量采用铝合金,部分原因就是铝合金价格便宜。如波音767客机采用的铝合金约占机体结构重量81%。军用飞机因要求有良好的作战性能而相对地减少铝的用量,如F-15高性能战斗机仅使用35.5%铝合金。  

       部分铝合金因其具有良好的低温性能,可在液氢和液氧环境下工作,它与浓硝酸和偏二甲肼不起化学反应,具有良好的焊接性能,因而是制造液体火箭的好材料。发射“阿波罗”号飞船的“土星”5号运载火箭各级的燃料箱、氧化剂箱、箱间段、级间段、尾段和仪器舱都用铝合金制造。航天飞机的乘员舱、前机身、中机身、后机身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼都是用铝合金制做的。各种人造地球卫星和空间探测器的主要结构材料也都是铝合金。从中我们可以看出,铝合金在航空航天领域所起到的作用至关重要。

铝合金广泛应用于航空航天领域

       铝合金在航天航空中的应用开发可分为几个阶段:20世纪50年代主要目标是减重和提高合金刚度、强度;60-70年代主要目标是提高合金耐久性和损伤容限,开发出7XXX系合金T73和T76热处理制度、7050合金和高纯合金;80年代由于燃油价格上涨而要求进一步减轻结构重量;90年代至今,铝合金的发展目标是进一步减重,并进一步提高合金的耐久性和损伤容限。例如开发出高强、高韧、高抗腐蚀性能的新型铝合金,大量采用厚板加工成复杂的整体结构部件代替以前用很多零件装配的部件,不但能减轻结构重量,而且可保证性能的稳定。

       目前,应用在航空航天的铝合金主要分为:铝合金铸件、铝合金大型挤压型材、铝合金厚板和铝-锂合金等。

       铝合金铸件:在现代飞机结构件中,利用了1500-2000种铝铸件,根据飞机不同的使用条件和部位,主要用了3种基本的铝合金:即高强铝合金、耐热铝合金、耐蚀铝合金。高强铝合金主要用于飞机机身部件、发动机舱、座椅、操纵系统等。耐热铝合金零件主要用于靠近电动机的机舱、空气交换系统等。耐蚀铝合金具有足够高的性能指标,其强度、塑性、冲击韧性、疲劳性能和可焊性都很好,更主要的是其具有耐蚀性,这样就可用于水上飞机。

       铝合金大型挤压型材:随着科学技术的进步,铝合金型材正向着大型化、整体化、薄壁扁宽化、尺寸高精化、形状复杂化方向发展,应用范围已由民用型材料推广到航天航空用型材,大型型材的主要特点有:大型化和整体化、薄壁化和轻量化、断面尺寸和形位公精密化、组织性能的均匀化与优质化。航天航空用大型挤压型材主要有:整体带筋壁板、工字大梁、机翼大梁、梳状型材、空心大梁型材等,主要用作飞机、宇宙飞船等航天航空器的受力结构部件以及直升飞机异形空心旋翼大梁和飞机跑道等。

       铝合金厚板:铝合金厚板是现代航天航空工业重要的结构材料,目前发达国家铝工业界不断开发出性能优异的新型铝合金厚板,广泛应用于飞机框架、整体壁板、起落架、蒙皮等。它们具有高强度、良好的韧性、抗应力性能和抗剥落腐蚀性能,而且断裂韧性较好,抗疲劳裂纹扩展能力强,铝合金厚板作为航天航空用材料具有很好的综合性能。

       铝锂合金:铝锂合金是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。锂是世界上较轻的元素,把金属锂作为合金元素加到金属铝中,就形成了铝锂合金。加入金属锂之后,可以降低合金的比重,增加刚度,同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性。因为这些特性,这种新型合金受到了航空航天业的广泛关注。据推算,如果采用先进铝锂合金取代传统铝合金制造波音飞机,重量可以减轻14.6%,燃料节省5.4%,飞机成本将下降2.1%,每架飞机每年的飞行费用将降低2.2%。因此,铝锂合金被认为是航空航天最理想的结构材料。20世纪80年代,在全世界范围内掀起了铝锂合金研究的高潮。但由于铝锂合金的特殊应用背景,铝锂合金研究中的关键技术各国高度保密。

       在我国,铝合金已大量应用于航空、航天领域,促进了我国航空航天工业的发展。同时,我国已跨入了世界上仅美国、俄罗斯、英国等少数几个能生产和应用铝锂合金这一先进新型材料的国家行列,并且,我国在铝合金的开发应用上,科研机构与企业一同联手,将理论研究成果应用于实际,推动了铝合金从实验室研究走向工业化生产并在我国航空航天领域获得应用。

       铝合金,在我国的航空航天领域中起着不可替代的作用,为我国航空航天事业不断书写新辉煌做出了重要贡献。